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Bilan radiatif de la Terre et effet de serre

Dossier - Tout savoir sur l'effet de serre
DossierClassé sous :climatologie , changement climatique , gaz à effet de serre

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Quelles sont les causes de l’effet de serre ? Pourquoi s’agit-il d’un phénomène naturel ? Quel est le rôle de l’activité humaine dans l’augmentation des gaz à effet de serre et quelles sont les conséquences pour la planète ? Pour tout comprendre de l’effet de serre, plongez dans ce dossier au cœur de l’atmosphère terrestre.

  
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Le bilan radiatif de la Terre quantifie l'énergie reçue et perdue par le système climatique terrestre, donc au niveau de l'atmosphère, du sol et des océans. Les échanges de chaleur se font soit par conduction, soit par convection, soit par rayonnement. La Terre n'échange pas (significativement) de matière avec le vide qui l'entoure, les échanges de chaleur ne se font donc que par rayonnement. On peut ainsi préciser les gains et les pertes d'énergie de la planète.

Niveau débutant

Voyons d'abord ce qui se passe pour une planète sans atmosphère puis en entourant la Terre d'une couche de verre équivalente à son atmosphère.

Hypothèse d'une Terre sans atmosphère

Le flux géothermique moyen de la Terre est de moins de 0,1 W/m2 à comparer aux 240 W/m2 du rayonnement solaire absorbé : on pourra donc le négliger par la suite. La Terre réfléchit une partie du rayonnement solaire, elle absorbe le reste. Elle présente face au Soleil un disque de rayon R = 6.400 km mais elle émet sur toute sa surface qui est celle d'une sphère de même rayon. L'émission d'un corps à la température T (en Kelvins) est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann.

On écrit donc l'égalité entre le rayonnement solaire absorbé par tout le disque et le rayonnement infrarouge émis par toute la sphère. On en déduit que la température de la Terre est de 255 K. Dans le cas d'une Terre sans atmosphère, c'est évidemment la température moyenne de sa surface.

L'atmosphère qui entoure la Terre est ici assimilée à une couche de verre (en bleu). Le rayonnement solaire la traverse : la surface émet du rayonnement qui est absorbé par le verre qui émet à son tour mais à une température inférieure. © Yves Fouquart - Reproduction interdite - Tous droits réservés

Hypothèse d'une couche de verre équivalente à l'atmosphère

L'atmosphère est maintenant remplacée par une couche de verre qui entoure toute la planète à une altitude de quelques kilomètres. Entre la surface et la couche de verre, c'est donc le vide et il n'y a pas d'échanges de chaleur par convection ni par conduction, il ne reste que les échanges radiatifs entre la surface et la couche de verre d'une part et entre la couche de verre et l'espace d'autre part.

Cette fois, ce qui émet vers l'espace, c'est la couche de verre, pas la surface. Donc la température de la couche de verre est de 255 K. On obtient la température de la surface en remarquant que la couche de verre qui émet vers l'espace et vers le sol ne reçoit de l'énergie qu'en absorbant (en totalité) ce qui vient de la surface. Donc l'émission de la surface est égale à la somme des émissions du verre vers le bas et vers le haut.

Or ces deux émissions sont égales puisque la température de la couche de verre est uniforme. L'émission de la surface est donc égale à deux fois l'émission du verre vers le haut. On en déduit que la température de la surface est de 303 K (soit un gain de 48 K).

L'effet de serre ne sature pas : avec deux couches de verre, le même raisonnement donne une température de 338 K (gain supplémentaire : 35 K, le double vitrage, ça marche). Avec trois couches de verre, la température de la surface monte à 363 K (gain supplémentaire 25 K).

Le CO2 de l'atmosphère

Ce qui est vrai pour le verre qui absorbe la totalité du rayonnement infrarouge l'est a fortiori pour le CO2 qui ne l'absorbe que partiellement. Il n'y a pas de saturation de l'effet de serre, on peut continuer à ajouter des couches de verre (ou du CO2), le gain sera de moins en moins important mais jamais nul. Si on vous dit qu'ajouter du CO2 dans l'atmosphère ne changera rien parce que l'absorption du CO2 sature et l'effet de serre aussi, eh bien clairement on vous dit des bêtises.